斷層破碎帶傾角對(duì)隧道圍巖位移的影響研究

田伯科，余 平，王寶東，李金永，王凱樂(lè)

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司 西安市 710032； 2.中鐵七局集團(tuán)有限公司 鄭州市 450016；3. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院 沈陽(yáng)市 110819)

0 引言

斷層破碎帶是工程中常見(jiàn)的一種不良地質(zhì)條件，由于破碎帶內(nèi)巖體一般松散破碎、自穩(wěn)能力差，容易發(fā)生塌方事故[1]。邵勇等[2]通過(guò)FLAC3D有限元軟件分析了斷層破碎帶的存在對(duì)隧道開(kāi)挖的影響情況，結(jié)果表明：斷層破碎帶處，圍巖位移和應(yīng)力分布在斷層破碎帶的影響下，都發(fā)生了明顯的改變。其中，圍巖變形相比附近區(qū)域有明顯增大，豎向應(yīng)力增大而水平位移減小。劉愷[3]模擬隧道穿越斷層破碎帶不同傾角時(shí)在斷層處發(fā)生破壞的內(nèi)部機(jī)制，通過(guò)對(duì)比隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變、塑性區(qū)變形和主應(yīng)力大小來(lái)判斷隧道圍巖穩(wěn)定性，結(jié)果表明，隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變最大值和位移最大值均在傾角30°時(shí)取得最大，傾角90°時(shí)最小。蔣建平等[4]模擬研究改變斷層傾角對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為53°時(shí)，圍巖應(yīng)力與位移等安全系數(shù)開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，這個(gè)轉(zhuǎn)折對(duì)圍巖穩(wěn)定、位移、應(yīng)力有非常大的影響。劉學(xué)增等[5-7]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究隧道在穿越不同斷層傾角的應(yīng)力應(yīng)變機(jī)理，通過(guò)在隧道內(nèi)部布置儀器監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的應(yīng)變值和壓力值，分析隧道圍巖的縱向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、圍巖壓力和破壞形態(tài)，得出了隧道圍巖變形主要發(fā)生在斷層錯(cuò)動(dòng)區(qū)域是由于地層結(jié)構(gòu)和永久變形的共同作用結(jié)果。隧道監(jiān)測(cè)的圍巖壓力值、圍巖的變形情況和破壞形態(tài)都會(huì)受到巖層破碎帶傾角的影響。李文華等[8]通過(guò)三維有限元分析研究不同斷層傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明斷層破碎帶對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，處于斷層破碎帶兩側(cè)位置的隧道圍巖位移出現(xiàn)下盤(pán)影響很大，上盤(pán)影響較小。因此隧道在開(kāi)挖選線(xiàn)不可避免遇到斷層破碎帶時(shí)，應(yīng)盡量從斷層上盤(pán)穿過(guò)。

基于控制變量法，對(duì)隧道穿越不同斷層破碎帶傾角對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究。此時(shí)，控制斷層傾向始終與隧道開(kāi)挖方向垂直，斷層厚度保持在15m，斷層傾角則由60°以10°為增量逐漸增加至90°。

1 工程概況

五道嶺隧道位于本溪至集安髙速公路桓仁至集安段，隧道凈寬10.75m，凈高5.0m。隧道走向41°，略具弧形，位于集安市榆林鎮(zhèn)樣子溝村東五道嶺，為分離式長(zhǎng)隧道，左幅最大埋深184m，右幅最大埋深180m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，五道嶺隧道圍巖主要由混合花崗巖組成。巖體的風(fēng)化具有明顯的地域特征，隧道進(jìn)口側(cè)巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)合一般，風(fēng)化作用劇烈，全風(fēng)化層一般小于3m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度5～30m，巖體碎裂狀結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)能力差，鉆探擾動(dòng)后巖芯多呈碎石狀；中風(fēng)化層巖體，呈塊體結(jié)構(gòu)，巖體較完整，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈碎塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖體中地下水富水性貧乏。據(jù)物探和地調(diào)成果，五道嶺隧道共有八條不同厚度斷層破碎帶，圍巖處于巖體極破碎、透水性強(qiáng)狀態(tài)。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)五道嶺隧道現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，得到的模擬土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算模型建立

通過(guò)選取依托工程隧道右洞F7斷層建立三維計(jì)算模型，隧道模型長(zhǎng)80m、寬50m以及高100m，均為3～5倍洞徑，隧道埋深為70m。建立的三維數(shù)值分析模型如圖1所示，該模型共有71236個(gè)單元，41671個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 三維計(jì)算模型

通過(guò)選取四個(gè)斷層傾角(斷層厚度統(tǒng)一為15m)：60°、70°、80°、90°進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)分析各種工況下圍巖位移研究不同斷層傾角對(duì)圍巖變形影響規(guī)律，以此判斷對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖豎向(Z方向)位移分析

圖2為隧道每次開(kāi)挖進(jìn)尺為1.0m時(shí)，不同斷層傾角對(duì)應(yīng)的隧道斷層破碎帶附近區(qū)域豎向位移云圖。

圖2 隧道縱剖面豎向位移云圖

由圖2隧道縱剖面豎向位移云圖可以看出，隧道圍巖上部由于自身重力作用而產(chǎn)生向下的變形，圍巖下部由于上覆土體移除而發(fā)生了卸荷作用，以至于仰拱四周的巖體向上發(fā)生突起。隧道圍巖豎向位移值在斷層破碎帶前后發(fā)生了很大的變化，之所以會(huì)發(fā)生突然增大，主要是由于斷層破碎帶處的巖體相對(duì)松散和破碎，隧道在開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中很容易受其影響，導(dǎo)致隧道圍巖在此處豎向位移值較大。當(dāng)斷層傾角分別為60°、70°、80°和90°時(shí)，隧道圍巖拱頂處豎向位移最大值分別為-15.603mm、-12.942mm、-11.555mm、-11.104mm，仰拱處豎向位移最大值分別為20.955mm、16.530mm、14.127mm、13.021mm，由此可知，隨著斷層傾角的不斷增大，隧道圍巖的最大豎向位移絕對(duì)值卻逐漸減小。通過(guò)分析可知，當(dāng)斷層傾角由60°增加到70°以及由70°增加至80°時(shí)，拱頂沉降分別減小了17.05%和10.72%(仰拱隆起減小了21.12%和14.54%)，當(dāng)斷層傾角由80°增加至90°時(shí)，拱頂沉降最大值卻僅僅減小了3.9%(仰拱隆起僅減小了7.83%)?？梢?jiàn)，在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)選線(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量以大角度穿越斷層破碎帶。

3.2 圍巖水平(X方向)位移分析

圖3為隧道每次開(kāi)挖進(jìn)尺為1.0m時(shí)，不同斷層傾角對(duì)應(yīng)的隧道斷層破碎帶附近區(qū)域水平位移云圖。

圖3 隧道橫向水平位移云圖

由圖3隧道橫向水平位移云圖可以看出，隧道開(kāi)挖順利穿過(guò)斷層破碎帶后，雖然斷層的傾角不斷增大，但是在斷層破碎帶兩側(cè)隧道圍巖周邊收斂值卻大致相同，因此僅對(duì)隧道一側(cè)水平位移最大值進(jìn)行對(duì)比分析。周邊收斂最大值在斷層破碎帶核心位置處，距離斷層破碎帶越近，圍巖變形越大?？梢?jiàn)，在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí)，斷層破碎帶段是變形控制的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。當(dāng)傾角分別60°、70°、80°和90°時(shí)，隧道左側(cè)圍巖水平位移依次為8.990mm、6.739mm、5.587mm、4.858mm(隧道右側(cè)水平位移依次為-9.144mm、-6.853mm、-5.519mm、-4.609mm)?？梢?jiàn)，隨著斷層傾角的不斷增大，隧道左右兩側(cè)圍巖的水平位移值越來(lái)越小。因此，在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，斷層破碎帶的傾角越大能更好地降低隧道圍巖水平位移值。

4 結(jié)論

利用有限元軟件Midas對(duì)五道嶺隧道不同斷層傾角引起的隧道圍巖位移進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)隧道在開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，隧道圍巖位移受斷層破碎帶影響很大，斷層破碎帶段是圍巖位移控制的關(guān)鍵區(qū)域，隧道圍巖最大拱頂沉降值和周邊收斂值都在斷層破碎帶處。

(2)通過(guò)對(duì)斷層破碎帶傾角為60°～90°的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，隧道圍巖豎向位移值、水平位移值均隨著斷層破碎帶傾角的增大而減小，在斷層傾角為90°時(shí)取得最小值。